Tecnología Láser

1. Principio de soldadura láser

La soldadura láser puede realizarse mediante haces láser continuos o pulsados. El principio de soldadura láser se divide en soldadura por conducción térmica y soldadura láser de penetración profunda. La densidad de potencia inferior a 10 ⁴ ~10⁵ A/CM ² es la soldadura por conducción térmica, caracterizada por una penetración superficial y una velocidad de soldadura lenta. Cuando la densidad de potencia es superior a 10 ⁵ ~10⁷ A/CM ² , se calienta la superficie del metal, creando «cavidades» y formando una soldadura de penetración profunda, caracterizada por una alta velocidad de soldadura y una elevada relación profundidad/anchura.

El principio de la soldadura láser por conducción térmica es el siguiente: la radiación láser calienta la superficie a procesar, y el calor superficial se difunde hacia el interior mediante conducción térmica. Al controlar parámetros láser como la anchura, la energía, la potencia pico y la frecuencia de repetición del pulso láser, la pieza se funde, formando una piscina de fusión específica.

Las máquinas de soldadura láser utilizadas para la soldadura de engranajes y para la soldadura de láminas metálicas delgadas implican principalmente la soldadura láser de penetración profunda. A continuación se analiza detalladamente el principio de la soldadura láser de penetración profunda.

La soldadura por penetración profunda con láser suele utilizar un haz láser continuo para unir materiales. Su física metalúrgica es muy similar a la de la soldadura por haz de electrones, y el mecanismo de conversión de energía se logra mediante una estructura de "cavidad". Bajo la irradiación de un láser con densidad de potencia suficientemente alta, el material se evapora y forma una cavidad. Esta cavidad llena de vapor actúa como un cuerpo negro, absorbiendo casi toda la energía del haz incidente. La temperatura de equilibrio en el interior de la cavidad alcanza aproximadamente 2500 °C. El calor se transfiere desde la pared exterior de este agujero clave de alta temperatura, fundiendo el metal que lo rodea. El agujero clave está lleno de vapor a alta temperatura generado por la evaporación continua del material de la pared bajo la irradiación del haz. Las paredes del agujero clave rodean metal fundido, y el metal líquido rodea material sólido (en la mayoría de los procesos convencionales de soldadura y en la soldadura por conducción láser, la energía se deposita primero en la superficie de la pieza de trabajo y luego se transfiere al interior). El flujo del líquido y la tensión superficial fuera de las paredes del agujero clave mantienen un equilibrio dinámico con la presión de vapor generada continuamente en el interior del agujero clave. A medida que el haz láser penetra continuamente en el agujero clave, el material situado fuera de este sigue fluyendo. Al desplazarse el haz láser, el agujero clave permanece en un estado de flujo estable. En otras palabras, el agujero clave y el metal fundido que lo rodea avanzan a la misma velocidad que el haz guía. El metal fundido rellena los huecos dejados tras el desplazamiento del agujero clave y luego se solidifica, formando así una soldadura. Todo esto ocurre tan rápidamente que las velocidades de soldadura pueden alcanzar fácilmente varios metros por minuto.

2. Parámetros clave del proceso de soldadura por láser de penetración profunda

Potencia del láser

La soldadura por láser implica un umbral de densidad de energía láser. Por debajo de este umbral, la profundidad de penetración es reducida; una vez alcanzado o superado, la profundidad de penetración aumenta significativamente. El plasma se genera únicamente cuando la densidad de potencia del láser sobre la pieza excede dicho umbral (dependiente del material), lo que marca el inicio de la soldadura estable en profundidad. Si la potencia del láser está por debajo de este umbral, solo ocurre fusión superficial en la pieza, lo que significa que la soldadura avanza en un modo estable de conducción térmica. Cuando la densidad de potencia del láser se encuentra cerca de la condición crítica para la formación del orificio (keyhole), la soldadura en profundidad y la soldadura por conducción alternan, dando lugar a un proceso de soldadura inestable con grandes fluctuaciones en la profundidad de penetración. En la soldadura láser en profundidad, la potencia del láser controla simultáneamente tanto la profundidad de penetración como la velocidad de soldadura. La profundidad de penetración de la soldadura está directamente relacionada con la densidad de potencia del haz y constituye una función de la potencia incidente del haz y del tamaño del punto focal del haz. En general, para un haz láser de un diámetro determinado, la profundidad de penetración aumenta al incrementarse la potencia del haz.

Punto focal del haz

El tamaño del punto del haz es una de las variables más importantes en la soldadura por láser, ya que determina la densidad de potencia. Sin embargo, su medición en láseres de alta potencia resulta difícil, a pesar de la existencia de numerosas técnicas de medición indirecta.

El tamaño del punto del haz limitado por difracción puede calcularse basándose en la teoría óptica de la difracción. No obstante, debido a las aberraciones de la lente de enfoque, el tamaño real del punto es mayor que el valor calculado. El método de medición práctica más sencillo es la profilometría isotérmica, que consiste en carbonizar una hoja gruesa de papel y perforar una placa de polipropileno antes de medir el punto focal y el diámetro de la perforación. Este método requiere una medición práctica para ajustar correctamente la potencia del láser y la duración del contacto del haz.

Valor de absorción del material

La absorción de la luz láser por un material depende de varias propiedades importantes, como la absortividad, la reflectividad, la conductividad térmica, la temperatura de fusión y la temperatura de evaporación, siendo la absortividad la más importante.

Los factores que afectan la absortividad de un material frente a un haz láser incluyen dos aspectos: primero, la resistividad del material. Las mediciones de la absortividad de superficies pulidas muestran que la absortividad es proporcional a la raíz cuadrada de la resistividad, la cual, a su vez, varía con la temperatura. Segundo, el estado superficial (o lisura) del material tiene un impacto significativo en la absortividad del haz, afectando así notablemente el efecto de soldadura.

La longitud de onda de salida de un láser CO2 es típicamente 10,6 μ m. Los materiales no metálicos, como cerámicas, vidrio, caucho y plásticos, presentan altas tasas de absorción a temperatura ambiente, mientras que los materiales metálicos la absorben escasamente a temperatura ambiente, aumentando su absorción de forma brusca únicamente una vez que el material se funde o incluso se vaporiza. Los recubrimientos superficiales o las películas de óxido son métodos eficaces para mejorar la absorción del haz láser por parte del material.

Velocidad de Soldadura

La velocidad de soldadura afecta significativamente la penetración de la soldadura. Aumentar la velocidad da lugar a una penetración más superficial, mientras que velocidades excesivamente bajas provocan sobrefusión y perforación. Por lo tanto, para un material específico, con una potencia láser y un espesor dados, existe un rango adecuado de velocidades de soldadura, dentro del cual se logra la máxima penetración. La figura 10-2 muestra la relación entre la velocidad de soldadura y la penetración para el acero 1018.

Gas de Protección

Los gases inertes se utilizan comúnmente para proteger la piscina fundida durante la soldadura por láser. Aunque la oxidación superficial puede no ser un problema para ciertos materiales, el helio, el argón y el nitrógeno se emplean habitualmente en la mayoría de las aplicaciones para evitar la oxidación de la pieza de trabajo durante la soldadura.

El helio se ioniza poco (aunque tiene una alta energía de ionización), lo que permite que el haz láser atraviese sin obstáculos y llegue a la superficie de la pieza de trabajo sin interferencias. Este es el gas protector más eficaz utilizado en la soldadura por láser, aunque es relativamente costoso.

El argón es más económico y tiene una mayor densidad, lo que proporciona una buena protección. Sin embargo, se ioniza fácilmente por el plasma metálico de alta temperatura, lo que bloquea parcialmente el haz y evita que llegue a la pieza de trabajo, reduciendo la potencia láser efectiva y afectando negativamente la velocidad de soldadura y la penetración. Las soldaduras protegidas con argón presentan superficies más lisas que las protegidas con helio.

El nitrógeno es el gas de protección más económico, pero no es adecuado para soldar ciertos tipos de acero inoxidable, principalmente debido a problemas metalúrgicos como la absorción, que en ocasiones pueden generar porosidad en la zona de la junta.

Una segunda función de los gases de protección es proteger la lente de enfoque frente a la contaminación por vapores metálicos y la proyección de gotas fundidas. Esto es especialmente importante en la soldadura láser de alta potencia, donde el material expulsado adquiere una gran intensidad.

Una tercera función de los gases de protección consiste en su eficacia para dispersar el plasma generado por la soldadura láser de alta potencia. El vapor metálico absorbe el haz láser e ioniza formando una nube de plasma. El gas protector que rodea el vapor metálico también se ioniza debido al calentamiento. Si hay demasiado plasma, el haz láser se consume parcialmente por el propio plasma. El plasma actúa como una fuente secundaria de energía sobre la superficie de trabajo, lo que provoca una menor profundidad de penetración de la soldadura y una mayor anchura de la piscina de soldadura. La velocidad de recombinación de electrones aumenta al incrementar las colisiones entre electrones, iones y átomos neutros, reduciendo así la densidad de electrones en el plasma. Cuanto más ligeros sean los átomos neutros, mayor será la frecuencia de colisiones y la velocidad de recombinación; por otro lado, solo un gas protector con una elevada energía de ionización puede evitar un aumento de la densidad de electrones debido a la ionización del propio gas.

El tamaño de la nube de plasma varía según el gas de protección utilizado, siendo el helio el que produce la nube más pequeña, seguido del nitrógeno y, finalmente, el argón, que genera la nube más grande. Una nube de plasma más grande da lugar a una menor profundidad de penetración de la soldadura. Esta diferencia se debe principalmente al distinto grado de ionización de las moléculas de gas, así como a las diferencias en la difusión de vapor metálico provocadas por las distintas densidades de los gases de protección.

El helio presenta la menor ionización y densidad, lo que le permite desplazar rápidamente el vapor metálico ascendente desde la piscina de metal fundido. Por tanto, utilizar helio como gas de protección suprime de forma máxima el plasma, aumentando así la penetración de la soldadura y la velocidad de soldadura; su bajo peso también facilita su escape, reduciendo la probabilidad de porosidad. Sin embargo, según nuestros resultados reales de soldadura, el uso de argón como gas de protección ha demostrado ser muy eficaz.

El impacto de la nube de plasma sobre la penetración de la soldadura es más pronunciado a bajas velocidades de soldadura. Su efecto disminuye a medida que aumenta la velocidad de soldadura.

El gas de protección se expulsa a una determinada presión mediante una boquilla y llega a la superficie de la pieza de trabajo. La forma hidrodinámica de la boquilla y el diámetro de su salida son factores cruciales. El gas de protección debe ser suficientemente abundante para cubrir toda la superficie de soldadura, pero el tamaño de la boquilla debe limitarse para proteger eficazmente la lente y evitar la contaminación por vapores metálicos o los daños causados por salpicaduras metálicas. Asimismo, el caudal debe controlarse con precisión; de lo contrario, el flujo laminar del gas de protección se volverá turbulento, se producirá arrastre de aire atmosférico hacia la piscina fundida y, finalmente, se formarán poros.

Para mejorar el efecto de protección, se puede utilizar un método adicional de soplado lateral, en el que el gas protector se inyecta directamente en el orificio de penetración profunda de la soldadura mediante una tobera de menor diámetro y con un determinado ángulo. El gas protector no solo suprime la nube de plasma sobre la superficie de la pieza de trabajo, sino que también influye en el plasma presente dentro del orificio de penetración y en la formación de dicho orificio, aumentando así aún más la profundidad de penetración y logrando una soldadura con una relación ideal entre profundidad y anchura. Sin embargo, este método requiere un control preciso del caudal y la dirección del gas; de lo contrario, fácilmente puede producirse turbulencia, lo que dañaría el baño fundido y haría inestable el proceso de soldadura.

Longitud focal de la lente

Durante la soldadura, el láser suele enfocarse, normalmente mediante lentes con longitudes focales de 63–254 mm (2,5 ”~10”el tamaño del punto focalizado es directamente proporcional a la longitud focal; cuanto más corta sea la longitud focal, más pequeño será el punto. Sin embargo, la longitud focal también afecta a la profundidad de enfoque, lo que significa que la profundidad de enfoque aumenta proporcionalmente con la longitud focal. Por lo tanto, una longitud focal más corta puede incrementar la densidad de potencia, pero, debido a la reducida profundidad de enfoque, la distancia entre la lente y la pieza de trabajo debe mantenerse con precisión, y la profundidad de penetración también queda limitada. Debido a la influencia de las salpicaduras y del modo láser generados durante la soldadura, la longitud focal más corta realmente utilizada en soldadura suele ser de 126 mm (5 ”cuando la junta es grande o cuando es necesario aumentar el tamaño de la soldadura incrementando el tamaño del punto, se puede seleccionar una lente con una longitud focal de 254 mm (10 ”) En este caso, para lograr el efecto de penetración profunda en modo «keyhole», se requiere una potencia de salida láser más elevada (densidad de potencia).

Cuando la potencia láser supera los 2 kW, especialmente para 10,6 μ los láseres de CO₂ con longitud de onda de 10,6 µm, debido al uso de materiales ópticos especiales en el sistema óptico, suelen emplear la focalización por reflexión para evitar daños ópticos en la lente de enfoque. Normalmente se utilizan espejos de cobre pulido como reflectores. Gracias a sus eficaces propiedades de refrigeración, suelen recomendarse para enfocar haces láser de alta potencia.

Posición de enfoque

Durante la soldadura, la posición del foco es crucial para mantener una densidad de potencia suficiente. Los cambios en la posición relativa del foco respecto a la superficie de la pieza afectan directamente al ancho y a la profundidad de la soldadura. La figura 2-6 muestra el efecto de la posición del foco sobre la profundidad de penetración y el ancho de soldadura del acero 1018.

En la mayoría de las aplicaciones de soldadura láser, el foco se sitúa típicamente aproximadamente a un cuarto de la profundidad por debajo de la superficie de la pieza para lograr la profundidad de penetración deseada.

Posición del haz láser

Al soldar con láser materiales diferentes, la posición del haz láser controla la calidad final de la soldadura, especialmente en uniones a tope, donde es más sensible que en uniones solapadas. Por ejemplo, al soldar un engranaje de acero endurecido a un tambor de acero bajo en carbono, un control adecuado de la posición del haz láser dará lugar a una soldadura compuesta principalmente por componentes de bajo carbono, lo que confiere una mayor resistencia a la fisuración. En algunas aplicaciones, la geometría de la pieza a soldar exige que el haz láser se desvíe con un ángulo determinado. Cuando el ángulo de desviación entre el eje del haz y el plano de la junta es inferior a 100 grados, la absorción de energía láser por parte de la pieza no se ve afectada.

Control del aumento y la disminución de la potencia láser en los puntos inicial y final de la soldadura

Durante la soldadura por penetración profunda con láser, independientemente de la profundidad de la soldadura, siempre existe el fenómeno del agujero (pinhole). Cuando finaliza el proceso de soldadura y se apaga el interruptor de alimentación, aparece una depresión al final de la soldadura. Además, cuando la capa de soldadura láser cubre la soldadura original, puede producirse una absorción excesiva del haz láser, lo que provoca sobrecalentamiento o porosidad en la pieza soldada.

Para prevenir estos fenómenos, los puntos de inicio y final de la potencia pueden programarse para hacer ajustables los tiempos de activación y desactivación de la potencia. Es decir, la potencia inicial aumenta electrónicamente desde cero hasta el valor de potencia establecido en un breve lapso, y se ajusta el tiempo de soldadura. Finalmente, al finalizar la soldadura, la potencia se reduce gradualmente desde el valor establecido hasta cero.

3. Características, ventajas y desventajas de la soldadura por penetración profunda con láser

Características de la soldadura por penetración profunda con láser

1) Alta relación de aspecto. 1) **Soldadura profunda y estrecha:** Dado que el metal fundido se forma alrededor de la cavidad cilíndrica de vapor a alta temperatura y se extiende hacia la pieza de trabajo, la soldadura resulta profunda y estrecha.

2) **Mínima aportación de calor:** Debido a la temperatura extremadamente elevada en el interior de la abertura, el proceso de fusión ocurre muy rápidamente, lo que genera una aportación de calor muy baja a la pieza de trabajo, minimizando así la deformación térmica y la zona afectada térmicamente.

3) **Alta densidad:** La abertura llena de vapor a alta temperatura favorece la agitación del baño de fusión y la expulsión de gases, lo que da lugar a una soldadura sin porosidades y con penetración total. La elevada velocidad de enfriamiento tras la soldadura refina además la microestructura de la soldadura.

4) **Soldadura fuerte:** La intensa fuente de calor y la absorción total de los componentes no metálicos reducen el contenido de impurezas y modifican el tamaño y la distribución de las inclusiones en la piscina de soldadura. El proceso de soldadura no requiere electrodos ni alambre de aporte, lo que reduce la contaminación en la zona fundida, haciendo que la resistencia y la tenacidad de la soldadura sean al menos iguales o incluso superiores a las del metal base.

5) **Control preciso:** Dado que el punto focal es muy pequeño, la soldadura puede posicionarse con precisión. La salida del láser no presenta "inercia", lo que permite detenciones y reinicios rápidos a altas velocidades. La tecnología CNC de movimiento del haz permite soldar piezas complejas. 6) Proceso de soldadura atmosférica sin contacto. Como la energía proviene de un haz de fotones, no existe contacto físico con la pieza de trabajo, por lo que no se aplica ninguna fuerza externa sobre ella. Además, ni el magnetismo ni el aire afectan al láser.

Ventajas de la soldadura láser de penetración profunda

1) Debido a la densidad de potencia mucho mayor de los láseres enfocados en comparación con los métodos convencionales, la velocidad de soldadura es elevada, la zona afectada térmicamente y la deformación son reducidas, y se pueden soldar materiales de difícil soldadura, como el titanio.

2) Como el haz es fácil de transmitir y controlar, y no es necesario cambiar con frecuencia las antorchas y boquillas de soldadura ni realizar vacío, como sí se requiere en la soldadura por haz de electrones, el tiempo de inactividad se reduce significativamente, lo que resulta en un alto factor de carga y una elevada eficiencia productiva.

3) Debido al efecto de purificación y a la alta velocidad de enfriamiento, la soldadura presenta una alta resistencia, tenacidad y rendimiento general.

4) Debido a la baja entrada térmica media, la precisión del procesamiento es elevada, lo que reduce los costos de reprocesamiento; además, los costos operativos de la soldadura láser también son más bajos, reduciendo así los costos de procesamiento de las piezas.

5) La intensidad del haz y su posicionamiento preciso pueden controlarse eficazmente, lo que facilita la operación automatizada.

Desventajas de la soldadura láser de penetración profunda

1) Profundidad de soldadura limitada.

2) Altos requisitos para el ensamblaje de la pieza de trabajo.

3) Alta inversión inicial en sistemas láser.